KR101783752B1 - 면상발열체 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 면상발열체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 불규칙한 망 구조로 이루어지는 금속 마이크로와이어를 포함하되, 상기 금속 마이크로와이어의 표면에 표면적을 증가시키기 위한 요철부가 형성됨으로써 발열 효율을 향상시킬 수 있는 면상발열체 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

면상발열체 및 그 제조방법{Heating plate and manufacturing method of the same}
본 발명은 면상발열체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발열 효율을 향상시킬 수 있도록 한 면상발열체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
면상발열체는 면(面)상으로 발열하는 물체로서, 얇은 면상의 전도성 발열체 양단에 금속 전극을 설치하고, 절연재로 절연 처리한 후 금속 전극에 정격 전압을 인가하면 면 전체에서 발열이 이루어진다. 이러한 면상발열체의 전극으로는 은(Ag), 구리(Cu) 등이 이용되고, 탄소로 구성된 발열체로는 카본 페이스트, 카본 섬유 등이 이용되고 있다.
면상발열체는 기존의 선상발열체에 비해 발열 효율이 우수하고, 신속한 난방 조절이 가능하며, 발열 구조가 차지하는 부피가 작아 다양한 제품에 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 면상발열체는 이러한 장점으로 자동차 유리, 주택 내/외부 등에서 사용되는 투명/플렉서블(flexible) 히터, 높은 열효율을 활용한 플렉서블(flexible)/스트레처블(stretchable)/웨어러블(wearable) 열치료 장치, 웨어러블(wearable) 발열 장치 등에 적용되고 있다.
이러한 면상발열체와 관련하여, 선행기술인 한국등록특허 제10-1028843호는 탄소섬유 면상발열체 및 그 제조방법에 대해 개시하고 있다.
하지만 종래기술에 따른 카본 면상발열체는 지속적인 발열과 외부 힘에 의한 발열 구조의 손상으로 화재의 위험이 높고, 발열 효율의 저하가 발생되고 있으며, 이에 전도성 섬유를 이용한 면상발열체가 대안으로 제시되고 있다. 다만, 전도성 섬유 기반의 면상발열체는 전기전도성 및 화학적 안정성을 위해 Ag, Cu, CNT 등의 소재를 사용하고 있으나, 이러한 소재는 단가가 높아 면상발열체의 가격을 상승시킬 수 있다는 단점을 가지고 있다.
상술한 문제를 개선하기 위해 저렴한 소재를 사용하는 것도 가능하나, 저렴한 소재는 전기전도성이 낮거나 화학적 안정성이 떨어진다는 문제점을 가지고 있다. 따라서 저렴한 소재를 이용하면서도 전기전도성 및 화학적 안정성을 갖춘 면상발열체의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 금속 마이크로와이어를 에칭, 도금, 나노 물질 코팅, 플라즈마 에칭, 전자빔 조사, 광소결 또는 열소결하여 금속 마이크로와이어의 표면에 요철부를 형성함으로써 표면적을 증가시키고, 이를 통해 보다 많은 발열 지점을 제공하여 발열 효율을 향상시킬 수 있도록 한 면상발열체 및 그 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 저렴한 금속군에 해당하는 Fe, Al, Ni, Cu, Ti, Sn, W, Zn 또는 이들의 합금으로 이루어진 금속 마이크로와이어를 이용함으로써 면상발열체의 제조 단가를 낮추되, 저가 금속의 사용으로 발생될 수 있는 낮은 전기전도성, 발열 구조의 손상 문제를 금속 마이크로와이어의 도금 가공을 통해 해결할 수 있는 면상발열체 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 바로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서,
본 발명은 불규칙한 망 구조로 이루어지는 금속 마이크로와이어를 포함하되, 상기 금속 마이크로와이어의 표면에 표면적을 증가시키기 위한 요철부가 형성되는 것을 특징으로 하는 면상발열체를 제공한다.
이 경우, 상기 금속 마이크로와이어는 Fe, Al, Ni, Cu, Ti, Sn, W, Zn, 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.
이 경우, 상기 금속 마이크로와이어의 종횡비는 150 이상 5000 이하일 수 있다.
이 경우, 상기 금속 마이크로와이어의 직경은 5~200㎛일 수 있다.
이 경우, 상기 금속 마이크로와이어의 표면에는 상기 금속 마이크로와이어보다 전기전도성이 높은 금속 도금막이 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 금속 도금막은 Ag, Au, Al, W, Zn, Ni, Sn, Cu, Pt, Ti 및 Pb 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 요철부는 상기 금속 마이크로와이어의 에칭, 도금, 나노 물질 코팅, 플라즈마 에칭, 전자빔 조사, 광소결 및 열소결 중에서 선택되는 어느 하나 이상에 의해 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 요철부는 상기 금속 마이크로와이어의 도금으로 형성된 입자를 포함하되, 상기 입자는 10~30㎛의 입경을 가질 수 있다.
이 경우, 상기 입자는 Ag, Au, Al, W, Zn, Ni, Sn, Cu, Pt, Ti 및 Pb 중에서 선택되는 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
이 경우, 상기 나노 물질은 5~200 nm의 직경을 가질 수 있다.
이 경우, 상기 나노 물질은 금속 나노 입자, 금속 나노와이어, 전도성 나노 입자 및 전도성 나노와이어 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 요철부는 전자빔 조사, 광소결 또는 열소결에 의해 서로 접합되는 상기 금속 마이크로와이어의 접촉 지점을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 금속 마이크로와이어의 표면에 표면적을 증가시키기 위한 요철부를 형성하는 단계; 및 상기 요철부가 형성된 상기 금속 마이크로와이어를 기판에 분산시킴으로써 상기 금속 마이크로와이어의 불규칙한 망 구조를 형성하는 단계;를 포함하는 면상발열체의 제조방법을 제공한다.
이 경우, 상기 금속 마이크로와이어는 Fe, Al, Ni, Cu, Ti, Sn, W, Zn, 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.
이 경우, 상기 금속 마이크로와이어의 종횡비는 150 이상 5000 이하이고, 상기 금속 마이크로와이어의 직경은 5~200 ㎛일 수 있다.
이 경우, 상기 기판은 세라믹 또는 유리로 이루어지는 경성 기판이거나, 또는 고분자, 섬유 및 종이 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 플렉서블 기판일 수 있다.
이 경우, 상기 요철부를 형성하는 단계는 상기 금속 마이크로와이어를 황산, 질산 및 염산 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 용액으로 에칭하는 방식으로 이루어질 수 있다.
이 경우, 상기 요철부를 형성하는 단계는 상기 금속 마이크로와이어의 표면을 상기 금속 마이크로와이어보다 전기전도성이 높은 금속으로 도금 처리하는 방식으로 이루어질 수 있다.
이 경우, 상기 도금 처리하는 단계는 PVD, 치환도금, 환원도금 및 전해도금 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 방법으로 행해지는 것일 수 있다.
이 경우, 상기 전해도금은 상기 금속 마이크로와이어의 일단에 전극을 연결한 후 도금 용액 내에 상기 금속 마이크로와이어를 침지시키는 방식으로 이루어질 수 있다.
이 경우, 상기 요철부를 형성하는 단계는 상기 금속 마이크로와이어의 표면에 나노 물질을 코팅하는 방식으로 이루어질 수 있다.
이 경우, 상기 나노 물질은 금속 나노 입자, 금속 나노와이어, 전도성 나노 입자 및 전도성 나노와이어 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 요철부를 형성하는 단계는 상기 금속 마이크로와이어를 CF4, O2, H2, NF3, SF6, Cl2, BCl3 및 Ar 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 분위기에서 플라즈마 에칭하는 방식으로 이루어질 수 있다.
이 경우, 상기 요철부를 형성하는 단계는 상기 금속 마이크로와이어에 전자빔 조사, 광소결 및 열소결 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 실시하여 상기 금속 마이크로와이어의 접촉 지점을 접합시킬 수 있다.
이 경우, 상기 면상발열체의 제조방법은 상기 금속 마이크로와이어의 불규칙한 망 구조를 형성하는 단계 이후 상기 망 구조의 양단에 전극을 형성하고, 상기 망 구조 및 상기 전극이 형성된 기판에 대해 열처리를 실시하여 패키징하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 패키징은 열가소성 플라스틱과 열경화성 플라스틱 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 물질에 의해 이루어질 수 있다.
이 경우, 상기 열가소성 플라스틱은 PE, PP, PVC, PS, ABS수지, AS수지, PMMA, PVA 및 PVDC 중에서 선택되는 어느 하나 이상이고, 상기 열경화성 플라스틱은 PF, UF, 멜라민 수지, MF, 알키드 수지, UP, EP, PUR, 실리콘 수지 및 디알릴프탈레이트 수지 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본 발명을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도 발명의 상세한 설명 및 도면에 기재된 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
본 발명에 따르면, 금속 마이크로와이어의 표면에 에칭, 도금, 나노 물질 코팅, 플라즈마 에칭, 전자빔 조사, 광소결, 열소결 등의 방법으로 요철부를 형성하여 표면적을 증가시킴으로써 보다 많은 발열 지점을 제공하여 면상발열체의 발열 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 금속 마이크로와이어의 소재로 Fe, Al, Ni, Cu, Ti, Sn, W, Zn, 또는 이들의 합금과 같은 저렴한 금속군을 이용함으로써 면상발열체의 제조비용을 절감할 수 있다.
아울러, 저가 금속군의 사용으로 발생할 수 있는 낮은 전기전도성, 발열 구조의 손상 문제를 금속 마이크로와이어의 도금 가공을 통해 해결할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체의 모식도,
도 1b는 도 1a에 도시된 면상발열체의 단면구조도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체에서 금속 마이크로와이어의 도금 과정을 예시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체에서 요철을 형성하는 과정을 예시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체의 제조방법을 나타낸 공정 순서도,
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따라 철 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면,
도 5b는 도 5a에 도시된 면상발열체와 비교하기 위한 면상발열체를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 표면에 금속 도금막이 형성된 금속 마이크로와이어를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 요철부가 형성된 금속 마이크로와이어를 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 나노 물질이 코팅된 금속 마이크로와이어를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 불규칙한 망 구조로 형성된 금속 마이크로와이어를 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 공정을 거치지 않은 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 금(Au)으로 도금된 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면,
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 은(Ag)으로 도금된 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면,
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 구리(Cu)로 도금된 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면,
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 마이크로와이어에 형성된 도금막에 따른 발열 효율을 도시한 도면,
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 플라즈마 에칭 공정으로 요철부가 형성된 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면,
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 플라즈마 에칭 처리 후 나노 물질 중 하나인 산화그래핀이 코팅된 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면,
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따라 플라즈마 에칭 처리 후 나노 물질 중 하나인 환원된 산화그래핀이 코팅된 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면,
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따라 플라즈마 에칭 처리 후 금속 마이크로와이어에 형성된 나노 물질 코팅에 따른 발열 효율을 도시한 도면,
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따라 에칭 공정으로 요철부가 형성된 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면,
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따라 전해도금 공정으로 요철부가 형성된 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면,
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따라 나노 물질이 코팅된 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면,
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따라 금속 마이크로와이어에 형성된 요철부 및 코팅에 따른 발열 효율을 도시한 도면,
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 공정 중 하나인 스퍼터링(sputtering) 처리로 요철부가 형성된 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면,
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따라 전자빔(E-beam)을 이용하여 금속 마이크로와이어 간 접촉점을 접합하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면,
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따라 광소결을 이용하여 금속 마이크로와이어 간 접촉점을 접합하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면,
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따라 열소결을 이용하여 금속 마이크로와이어 간 접촉점을 접합하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면,
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 마이크로와이어에 형성된 요철부 및 접합에 따른 발열 효율을 도시한 도면.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유 사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체의 모식도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 면상발열체의 단면구조도이다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체는 금속 마이크로와이어(110)와, 기판(120)과, 전극(130) 및 패키징 재료(140)를 포함할 수 있다.
금속 마이크로와이어(110)는 다수가 마련되어 불규칙한 망 구조를 형성한다.
금속 마이크로와이어(110)의 직경은 5~200㎛일 수 있다.
또한, 금속 마이크로와이어(110)의 종횡비는 150 이상 5000 이하인 것이 바람직하다. 금속 마이크로와이어(110)의 종횡비가 150 미만이면 와이어와 인접하는 와이어의 접촉 지점이 적어 전기전도성을 향상시키기 어렵고, 종횡비가 5000 초과이면 제조가 어려울 뿐 아니라 오히려 저항값이 커질 수 있다.
금속 마이크로와이어(110)는 전기전도성과 화학적 안정성을 향상시키기 위해 표면에 금속 도금막이 형성될 수 있는 바 이하 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체에서 금속 마이크로와이어의 도금 과정을 예시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 금속 마이크로와이어(300)의 표면에는 도금소재(310)가 다양한 방식으로 도금되어 금속 도금막을 형성할 수 있다. 금속 도금막은 금속 마이크로와이어(300)보다 전기전도성이 높은 금속, 예컨대, 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 아연 (Zn), 니켈(Ni), 주석(Sn), 구리(Cu), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 납(Pb) 등을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
도금은 금속 마이크로와이어(300)의 표면에 금속 도금막을 균일하게 형성하기 위해 물리적기상증착법(PVD), 환원도금, 치환도금 또는 전해도금 방식으로 이루어지는 것이 바람직하다.
먼저, 금속 마이크로와이어(300)의 표면은 물리적기상증착법(PVD), 보다 상세하게는 스퍼터링법(320, sputtering)에 의해 도금될 수 있다.
이 경우, 금속 마이크로와이어(300)는 금속 마이크로와이어(300)의 타겟(321)을 향하는 면(322)에 한정하여 도금될 수 있으며, 금속 마이크로와이어(300)의 화학적 안정성을 확보하기 위해 금속 마이크로와이어(300)의 방향을 바꿔가며 스퍼터링이 수행될 수도 있다.
물리적기상증착법(PVD)으로 도금을 수행하기 위한 금속 재료로는 철(Fe)보다 높은 전기전도성을 지닌 금속, 예컨대, 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 아연(Zn), 니켈(Ni) 등을 이용할 수 있다. 하기의 [표 1]에는 각 금속의 전도성 비율을 나타내었다.
금속 Ag Cu Au Al W Zn Ni Fe Pt
도전성(%) 106 100 71.8 62.7 31.3 29.2 23.8 17.6 16.3
또한, 금속 마이크로와이어(300)의 표면은 치환도금법(330)에 의해 도금될 수 있다.
예를 들어, 금속 마이크로와이어(300)를 금속 재질의 피도금재보다 이온화 경향이 작은 금속의 이온이 녹아있는 도금액에 침지시킴으로써 M1 + M2 + → M1 + + M2 반응(M1: 피도금재, M2: 도금재)을 진행시킬 수 있다. 치환도금법(330)을 이용하면 침지된 피도금재 전방위에 걸쳐 도금막을 형성할 수 있으며, 피도금재 표면의 금속과 치환되는 도금의 특성상 환원도금보다 얇고 평탄한 도금 표면을 얻을 수 있다.
도금재로는 철(Fe)보다 이온화 경향이 작고, 전기전도성이 높거나 화학적 안정성이 우수한 금속, 예컨대, 은(Ag), 금(Au), 주석(Sn), 니켈(Ni), 납(Pb) 등이 이용될 수 있다.
아울러, 금속 마이크로와이어(300)의 표면은 환원도금법(340)에 의해 도금될 수 있다.
예를 들어, 금속 마이크로와이어(300)를 도금 금속이온이 존재하는 도금 용액 내에 피도금재를 침지시킴으로써 도금될 수 있으며, 환원제를 사용하여 M+ + e- → M 반응을 진행시킬 수 있다. 환원도금법(340)을 이용하면 용액 내에 침지된 피도금재 전방위에 도금이 가능하며, 전기전도성 및 화학적 안정성을 동시에 얻을 수 있다.
도금재로는 철(Fe)보다 전기전도성과 화학적 안정성이 우수한 금속, 예컨대, 은(Ag), 금(Au), 아연(Zn), 주석(Sn), 니켈(Ni) 등이 이용될 수 있다.
다시 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명하면, 금속 마이크로와이어(110)는 Fe, Al, Ni, Cu, Ti, Sn, W, Zn, 또는 이들의 합금과 같은 저가 금속으로 이루어진다.
즉, 종래에는 면상발열체의 발열 효율을 향상시키기 위해 금속 마이크로와이어의 소재로 금(Au), 은(Ag)과 같이 전기전도성이 높은 고가의 금속을 이용하였다. 왜냐하면, 철(Fe), 알루미늄(Al) 등의 저렴한 금속은 동일 전압에서 V = IR에 의해 저항이 높아질 경우 전류가 낮아지고, 주울열 방정식(Joule heating equation)에 따라 저항에 의한 발열량은 선형으로 증가하고, 전류에 의한 발열량은 제곱으로 증가하기 때문이다. 따라서 저렴한 금속을 이용하여 제조되는 금속 마이크로와이어의 경우 일정 수준 이하의 저항에서는 저항 증가에 따라 발열량이 증가하지만 특정 값 이상의 저항에서는 저항 증가에 따라 전류가 감소하여 발열량이 감소하게 된다. 또한, 저가 금속군은 표면이 산화되기 쉽고, 전기전도성과 화학적 안정성이 낮아 그 동안 면상발열체의 금속 마이크로와이어 소재로 적용되기 어려웠다.
그러나 본 발명은 상술한 바와 같은 단점에도 불구하고 전기전도성이 낮은 저가 금속으로 이루어지는 금속 마이크로와이어(110)의 표면을 다양한 방법으로 가공하여 요철부를 형성함으로써 발열 효율을 향상시킬 수 있는 바 후술하여 상세히 설명하도록 한다.
이와 관련하여, 금속 마이크로와이어(110)의 불규칙한 망 구조는 와이어와 와이어가 접지되는 접촉점을 가져 전류 인가시 접촉점에서 형성된 접촉 저항에 의해 저항 발열을 발생시킬 수 있다. 따라서 금속 마이크로와이어(110)의 불규칙한 망 구조에 이러한 접촉점을 증가시킬 수 있다면 보다 많은 발열 지점이 형성되어 동일한 전력으로 높은 발열 효율을 나타낼 수 있다.
이를 위해, 본 발명은 와이어 간 보다 많은 접촉점을 제공할 수 있도록 충분한 길이를 가지고, 불연속적인 전도성 섬유의 밀도를 증가시켜 높은 발열 효율을 얻을 수 있도록 와이어 간 접촉 면적을 증가시킬 수 있는 금속 마이크로와이어(110)를 제시하고자 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체에서 요철을 형성하는 과정을 예시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 금속 마이크로와이어(400)의 표면에 요철을 형성시킴으로써 보다 많은 발열 지점을 제공할 수 있다.
먼저, 금속 마이크로와이어(400)를 황산(H2SO4), 질산(HNO3) 및 염산(HCl) 중 하나 이상을 포함하는 용액으로 에칭(410)할 수 있다. 이 경우, 금속 마이크로와이어(400)는 원자들 간의 결합이 약한 입계(grain boundary)가 우선적으로 에칭(410)됨으로써 금속 마이크로와이어(400)의 표면에 요철이 형성된다.
또한, 금속 마이크로와이어(400)의 표면에 Ag, Au, Al, W, Zn, Ni, Sn, Cu, Pt, Ti 및 Pb 중 하나 이상을 포함하는 도금소재(420)로 전해도금(430)을 실시하여 요철부를 형성할 수 있다.
예를 들어, 금속 마이크로와이어(400)의 일단에 전극을 연결한 후 염화주석(SnCl2)을 포함하는 도금 용액 내에 금속 마이크로와이어(400)를 침지시키면 금속 마이크로와이어(400)의 표면에 요철부가 형성된다. 즉, 전해도금(430)시 도금억제제 및 광택제 등의 첨가제를 사용하지 않은 경우 도금재의 그레인(grain)의 성장이 억제되지 않아 거친 도금층이 형성되는 점을 이용함으로써 금속 마이크로와이어(400)의 표면에 요철부를 형성하는 것이다.
이 경우, 요철부는 금속 마이크로와이어(400)의 표면에 주석(Sn) 전해도금(430)을 실시함으로써 형성된 10~30㎛의 입경을 가지는 주석(Sn) 입자를 포함할 수 있다.
또한, 금속 마이크로와이어(400)의 표면에 나노 물질을 코팅하여 요철부를 형성할 수 있으며, 이를 위해 나노 물질이 분산된 코팅 용액을 이용할 수 있다.
구체적으로, 금속 마이크로와이어(400)의 표면에 나노 물질을 균일하게 코팅하기 위해 나노 물질 혹은 이들의 혼합 물질을 메탄올, 에탄올, IPA, 아세톤, 증류수 등에 분산시킬 수 있으며, 보다 활발한 분산을 위해 0.5~20kHz 범위의 초음파 처리를 하는 것도 가능하다. 이와 같이 나노 물질이 분산된 코팅 용액을 금속 마이크로와이어(400)의 표면에 코팅하면 요철부가 형성된다.
요철부는 금속 마이크로와이어(400)의 표면에 코팅된 직경 5~200 nm의 나노 물질을 포함하며, 나노 물질은 예를 들어, 금속 나노 입자, 금속 나노와이어, 전도성 나노 입자 및 전도성 나노와이어 등을 포함할 수 있다. 나노 물질의 직경은 금속 마이크로와이어(400) 직경의 1000 배 이하일 경우, 즉, 5~200 nm일 때 가장 높은 온도로 발열될 수 있다.
이 경우, 전도성 나노 입자와 전도성 나노와이어는 탄소계열 구조체, SW-CNT, MW-CNT, 그래핀(Graphene), 카본 블랙(carbon black) 등을 포함할 수 있으며, 그래핀은 통상의 그래핀, 산화그래핀, 환원된 산화그래핀 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
아울러, 금속 마이크로와이어(400)의 표면을 플라즈마 에칭하여 요철부를 형성할 수 있다.
예를 들어, 금속 마이크로와이어(400)를 CF4, O2, H2, NF3, SF6, Cl2, BCl3 또는 Ar 중 하나 이상을 포함하는 분위기에서 플라즈마 에칭을 실시함으로써 금속 마이크로와이어(400)의 표면에 요철부가 형성될 수 있다.
한편, 금속 마이크로와이어(400) 간 접촉 지점을 접합시키는 방식으로 요철부를 형성하는 것도 가능하다. 이를 위해, 금속 마이크로와이어(400)에 전자빔을 조사하거나 광소결 또는 열소결 처리할 수 있다.
즉, 금속 마이크로와이어(400) 또는 금속 마이크로와이어(400)와 나노 물질이 도포된 기판에 전자빔(E-beam)을 조사하면 금속 마이크로와이어(400) 간 접촉점이 접합되고, 이로 인해 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 전자빔 조사는 진공 분위기에서 RF 파워와 DC 파워를 이용하여 처리할 수 있다.
또한, 금속 마이크로와이어(400) 또는 금속 마이크로와이어(400)와 나노 물질이 도포된 기판을 광소결하여 금속 마이크로와이어(400) 간 접촉점을 접합함으로써 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 이 경우, 광소결을 위한 광원으로는 백색광, 자외선, 적외선 또는 이들의 복합 광원을 이용할 수 있다.
아울러, 금속 마이크로와이어(400) 또는 금속 마이크로와이어(400)와 나노 물질이 도포된 기판을 열소결하여 금속 마이크로와이어(400) 간 접촉점을 접합함으로써 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 이 경우, 열소결은 대기, 진공, Ar, N2, H2 또는 이들의 혼합 분위기에서 50~1000℃로 1~180분간 실시될 수 있다.
다시 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명하면, 기판(120)은 면상발열체의 기재로서, 일면에 금속 마이크로와이어(110)가 분산되어 불규칙한 망 구조를 형성한다.
기판(120)은 플렉서블 특성을 고려한 고분자 필름이 이용될 수 있으며, 고분자 필름은 예를 들어 PDMS, PET, PVC 등일 수 있다. 또한, 섬유, 종이 등과 같은 플렉서블 기판이나, 세라믹, 유리 등과 같은 경성 기판을 사용하는 것도 가능하다.
예컨대, 금속 마이크로와이어(110)는 고분자 필름 위에 불규칙한 망 구조로 형성될 수 있다. 이를 위해, 금속 마이크로와이어(110)는 플렉서블 고분자 필름 상에 도포되거나, 휘발성이 강한 용액 내에 분산시켜 도포될 수 있다. 이 경우, 금속 마이크로와이어(110)는 기판(120)에 비해 짧은 길이를 가져야 하며, 복수의 금속 마이크로와이어(110)는 기판(120)에 분산되어 불규칙한 망 구조를 형성하게 된다. 한편, 면상발열체의 플렉서블한 특징을 높이기 위해 0.05g/cm 이하의 밀도로 금속 마이크로와이어(110)를 분산시킬 수 있으며, 금속 마이크로와이어(110)의 최소 분산량은 제한되지 않는다.
전극(130)은 기판(120)의 양단에 형성된다. 전극(130)의 형성은 기판(120) 및 패키징 방법에 따라 Ag paste, Cu foil, conductive ink 등과 같은 다양한 방법이 이용될 수 있다.
이 경우, 전극(130)이 형성되면 외부에 노출된 발열 망 구조와 전극을 임시로 고정시킬 수 있다. 예컨대, 발열 망 구조가 형성된 고분자 기판(120)을 50~150kPa의 압력으로 30분간 압착하거나, 접착성이 있는 절연성 물질 등을 이용하여 발열 망 구조를 임시적으로 고정시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 불규칙한 망 구조와 전극(130)이 형성된 기판(120)은 발열 망 구조의 고정, 절연막 형성, 외부 환경과의 차단을 위해 열처리를 실시하여 패키징될 수 있다.
패키징 재료(140)는 전기 절연성 및 화학적 안정성을 지닌 고분자 성분, 발열 구조의 발열에 의해 손상되지 않는 고분자 소재가 이용될 수 있다. 예를 들어, 50℃ 이상의 온도에서 변형 및 손상이 발생하지 않는 고분자 성분을 이용하여 패키징을 수행할 수 있다.
고분자 성분을 이용하여 패키징할 경우에는 레진(resin) 및 하드너(hardner)로 구성된 고분자 용액을 혼합하여 경화시키는 방법이 이용될 수 있다. 고분자 소재로는 열가소성 플라스틱과 열경화성 플라스틱을 사용할 수 있다. 예를 들어, 열가소성 플라스틱은 PE, PP, PVC, PS, ABS 수지, AS 수지, PMMA, PVA 및 PVDC 등일 수 있고, 열경화성 플라스틱은 PF, UF, 멜라민 수지, MF, 알키드 수지, UP, EP, PUR, 실리콘 수지 및 디알릴프탈레이트 수지 등일 수 있다.
이러한 고분자 재료와 하드너(hardner)를 1:10 내지 10:1의 비율로 혼합한 용액을 기판(120)에 고르게 도포하고, 대기오븐을 이용하여 50~200℃에서 1~60분간 열처리 및 패키징 처리할 수 있다. 이 경우, 필요하다면 표면 코팅 처리한 기판 위에 유리기판, 레진 등을 추가적으로 도포할 수 있다.
상술한 바와 같은 패키징 방법에 따르면, 액체 상태의 레진-하드너의 혼합 용액이 복수의 금속 마이크로와이어(110) 사이로 침투하여 금속 마이크로와이어(110) 간의 접촉을 손상시키지 않는 범위 내에서 발열 망 구조 사이의 빈 공간을 채울 수 있으며, 이후 경화 과정을 거쳐 고체 상태로 전이한 레진-하드너의 혼합 고분자는 각각의 금속 마이크로와이어(110)를 고정할 수 있다. 이를 통해, 면상발열체의 구부림, 외부 압력, 뒤틀림에도 발열 망 구조를 이룰 수 있으며, 금속 마이크로와이어(110)의 접촉이 손상되지 않고, 발열 성능을 유지할 수 있다.
이상으로 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체에 대해 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체의 제조방법에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체의 제조방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체의 제조방법은 금속 마이크로와이어의 표면에 표면적을 증가시키기 위해 요철부를 형성하는 단계(S1810)와, 요철부가 형성된 금속 마이크로와이어를 기판에 분산시켜 금속 마이크로와이어의 불규칙한 망 구조를 형성하는 단계(S1820)를 포함하는 바 이하 각 공정에 대해 순차적으로 설명한다.
먼저, Fe, Al, Ni, Cu, Ti, Sn, W, Zn, 또는 이들의 합금으로 이루어지고, 종횡비가 150 이상 5000 이하이며, 직경이 5~200㎛인 금속 마이크로와이어를 준비한다.
이후, 준비된 금속 마이크로와이어를 에칭, 전해도금, 나노 물질 코팅, 플라즈마 에칭, 전자빔 조사, 광소결 또는 열소결 처리하여 금속 마이크로와이어의 표면에 요철부를 형성한다.
구체적으로, 황산, 질산 및 염산 중 하나 이상을 포함하는 용액으로 금속 마이크로와이어를 에칭하거나, 금속 마이크로와이어를CF4, O2, H2, NF3, SF6, Cl2, BCl3 및 Ar 중 하나 이상을 포함하는 분위기에서 플라즈마 에칭함으로써 금속 마이크로와이어의 표면에 요철부를 형성할 수 있다.
또한, 금속 마이크로와이어의 일단에 전극을 연결하고, 도금 용액 내에 금속 마이크로와이어를 침지하여 전해도금을 실시하거나, 나노 물질이 분산된 코팅 용액을 금속 마이크로와이어의 표면에 코팅하여 금속 마이크로와이어의 표면에 요철부를 형성할 수 있다. 이 경우, 나노 물질은 금속 나노 입자, 금속 나노와이어, 전도성 나노 입자, 전도성 나노와이어 등을 포함할 수 있다.
한편, 금속 마이크로와이어에 전자빔을 조사하거나, 광소결 또는 열소결 처리하여 금속 마이크로와이어 간 접촉점을 접합하는 방식으로 요철부를 형성하는 것도 가능하다.
상술한 바와 같이 금속 마이크로와이어에 요철부가 형성되면 금속 마이크로와이어를 기판에 분산시켜 금속 마이크로와이어의 불규칙한 망 구조를 형성한다.
이 경우, 금속 마이크로와이어의 표면을 금속 마이크로와이어보다 전기전도성이 높은 금속으로 도금할 수 있다. 도금 처리는 PVD, 환원도금, 치환도금 등의 방법으로 행해질 수 있다.
마지막으로, 금속 마이크로와이어의 불규칙한 망 구조의 양단에 전극을 형성하고, 망 구조 및 전극이 형성된 기판을 열처리하여 패키징하면 면상발열체가 완성된다.
패키징 열처리는 금속 마이크로와이어를 보호하기 위해 표면 코팅을 수행하는 단계에서 이루어질 수 있다. 표면 코팅 재료는 열가소성 플라스틱과 열경화성 플라스틱을 사용할 수 있다. 예를 들어, 열가소성 플라스틱으로는 PE, PP, PVC, PS, ABS 수지, AS 수지, PMMA, PVA 및 PVDC 등을 사용할 수 있고, 열경화성 플라스틱으로는 PF, UF, 멜라민 수지, MF, 알키드 수지, UP, EP, PUR, 실리콘 수지 및 디알릴프탈레이트 수지 등을 사용할 수 있다.
상술한 바와 같은 코팅 재료와 하드너(hardner)를 1:10 내지 10:1의 비율로 혼합한 용액을 기판에 고르게 도포하고, 대기오븐을 이용하여 50~200℃에서 1~60분간 열처리 및 패키징 처리할 수 있다. 이 경우, 필요시 표면 코팅 처리한 기판 위에 유리기판, 레진 등을 추가적으로 도포할 수 있다.
이상으로 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체의 제조방법에 대해 설명하였다. 이상에서 설명한 면상발열체의 제조방법은 본 발명의 구현예에 따라 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수 잇고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따라 직경이 30~70㎛이고, 종횡비가 150 이상인 철 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면이고, 도 5b는 도 5a의 비교예로서 직경이 30~70㎛이고, 종횡비가 150 미만인 철 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면이다.
도 5a를 참조하면, 철 마이크로와이어의 EDS 성분 분석 결과 순도는 99%로 비교적 요철이 크지 않은 부드러운 표면을 가진다. 이 경우, 직경이 30~70㎛ 금속 마이크로와이어를 이용함으로써 면상발열체의 두께를 얇게 할 수 있다.
반면, 도 5b에 도시된 면상발열체는 직경 30~70㎛, 길이 5mm, 종횡비 70~130의 철 마이크로와이어가 표면 가공없이 그대로 사용된 면상발열체로서, 저항이 2.7~2.8Ω으로 전류 인가시 상온 25℃에서 온도 상승이 발생하지 않았음을 알 수 있다.
따라서 금속 마이크로와이어간의 충분한 접촉점을 제공할 수 있도록 금속 마이크로와이어의 종횡비는 150 이상인 것이 바람직하다. 다만, 종횡비가 5000을 초과하면 제조가 어려울 뿐 아니라 저항값이 오히려 커질 수 있으므로 종횡비는 5000 이하인 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 표면에 금속 도금막이 형성된 금속 마이크로와이어를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 직경 30~70㎛, 길이 10~15mm, 종횡비 150~500 범위의 철 마이크로와이어에 다양한 금속으로 PVD-sputtering 공정과 치환 공정을 통해 도금을 수행할 수 있다.
도금 처리를 하기 전의 순수 철 마이크로와이어(510)는 1000배 배율을 이용하여 EDS로 표면을 분석한 결과 비교적 고른 표면을 지닌 것을 알 수 있다.
금 도금 철 마이크로와이어(520)는 순수 철 마이크로와이어(510)에 PVD 도금 방법을 이용하여 스퍼터링(sputtering)을 수행하였다. 예를 들어, 철 마이크로와이어와 타겟(target) 금속인 금(Au) 간의 거리를 4~6cm로 유지하고, 10torr의 저진공의 분위기에서 180초 동안 스퍼터링을 실시할 수 있다. 이와 같은 방법으로 도금된 철 마이크로와이어에 대해 EDS로 표면 분석을 수행한 결과 철 마이크로와이어의 표면에 타겟(target) 금속인 금(Au)을 향하고 있는 방향에서 7wt%의 금(Au)이 도금되었음을 알 수 있다.
은 도금 철 마이크로와이어(530)는 순수 철 마이크로와이어(510)에 은(Ag)을 이용하여 치환도금을 수행하였다. 치환도금에 사용된 도금 용액은 질 산은(AgNO3) 5g/L, 황산(H2SO4) 40g/L, PEG 2g/L 및 도금첨가제 2g/L을 이용하여 제조된 것일 수 있다. 은(Ag)으로 도금된 철 마이크로와이어(530)를 필터 용지로 거른 후 증류수로 세척하여 EDS로 표면 분석을 수행한 결과 약 7wt%의 은(Ag)으로 도금되었음을 알 수 있다.
구리 도금 철 마이크로와이어(540)는 순수 철 마이크로와이어(510)에 구리(Cu)를 이용하여 치환도금을 수행하였다. 치환도금에 사용된 도금 용액은 황화구리(CuSO4) 100g/L, 황산(H2SO4) 40g/L, PEG 2g/L 및 도금첨가제 2g/L을 이용하여 제조된 것일 수 있다. 구리(Cu)로 도금된 철 마이크로와이어(530)를 필터 용지로 거른 후 증류수로 세척하여 EDS로 표면 분석을 수행한 결과 약 86wt%의 구리(Cu)로 도금되었음을 알 수 있다.
이러한 결과를 통해, 순수 철 마이크로와이어(510)와 금속으로 도금 처리된 철 마이크로와이어(520 내지 540)의 표면 형상에는 차이가 없으며, PVD를 통한 스퍼터링(sputtering) 공정은 0.1~10nm의 매우 얇은 도금층을 형성시킨다는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 요철부가 형성된 금속 마이크로와이어를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 동일한 밀도의 금속 마이크로와이어를 발열 효율을 증가시키기 위해 금속 마이크로와이어의 표면에 요철부를 형성하여 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 이를 위해, 금속 마이크로와이어에 에칭 공정(610) 또는 전해 도금 공정(620)을 통해 요철부를 형성할 수 있다.
먼저, 철(Fe) 마이크로와이어의 표면은 에칭 공정(610)을 통해 요철부가 형성될 수 있다. 애칭 용액으로는 질산 (HNO3), 황산(H2SO4) 또는 염산(HCl) 등이 이용될 수 있다. 예를 들어, 철 마이크로와이어에 20vol% 황산(H2SO4) 수용액을 사용하여 25℃의 에천트(etchant)에서 20초간 에칭을 수행할 수 있다. 요철부가 형성된 마이크로와이어를 필터 용지로 거른 후 증류수로 세척하여 EDS로 표면 분석을 수행한 결과 철 마이크로와이어의 표면이 거칠어진 것을 알 수 있다.
또한, 철(Fe) 마이크로와이어의 표면은 전해도금 공정(620)을 통해 요철부가 형성될 수 있다. 예를 들어, 50~60mm의 철 마이크로와이어의 일단에 전극을 연결하고, 전해도금(620)을 하고자 하는 철 마이크로와이어에 전기적 연결을 형성한 후 백금(Pt) 양극과 철 마이크로와이어 음극을 도금 용액에 침지함으로써 전해도금(620)을 수행할 수 있다. 도금 용액은 염화주석(SnCl2) 100g/L, tri-ammonium citrate 100g/L, 황산(H2SO4) 40g/L로 조성될 수 있다.
전해도금(620)은 25℃ 도금 용액에서 60~100mA/cm2의 전류밀도로 3분간 수행한 후 철 마이크로와이어를 증류수로 세척한 결과 철 마이크로와이어의 표면은 65wt%의 주석(Sn)으로 도금되었으며, 10~30㎛의 입도를 갖는 주석 알갱이 (Sn granular)가 형성된 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 나노 물질이 코팅된 금속 마이크로와이어를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 철(Fe) 마이크로와이어는 나노와이어가 분산된 에탄올 코팅 용액을 이용하여 딥 코팅(Dip Coating)될 수 있다. 코팅 용액 내 분산되어 있는 은 나노와이어는 직경 20~30nm, 길이 20~30㎛, 종횡비 500~1500으로, 1g의 은 나노와이어가 100ml의 에탄올 용액에 분산될 수 있다.
철 마이크로와이어에 1~3초 내로 딥 코팅을 실시하고, 디핑(dipping) 후 에어 브러싱(air brushing)을 통해 에탄올을 건조시킬 수 있다. 은 나노 물질이 코팅된 철 마이크로와이어를 SEM을 이용하여 표면 분석한 결과 철 마이크로와이어의 표면에 은 나노와이어가 관찰되었으며, EDS 분석 결과 약 9wt%의 은(Ag)이 검출된 것을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 불규칙한 망 구조로 형성된 금속 마이크로와이어를 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 동일한 성분 및 물리적 성질을 갖는 철 마이크로와이어를 0.1g/cm의 밀도로 고분자 기판 상에 도포함으로써 철 마이크로와이어를 발열 망 구조로 형성시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 공정을 거치지 않은 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 면상발열체는 밀도 0.01~0.02g/cm, 직경 30~70㎛, 길이 10~15mm, 종횡비 150~500인 순수 철 마이크로와이어가 발열 망 구조로 형성된 것이다. 도금 공정을 거치지 않은 철 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체는 저항이 6~8Ω으로, 5V의 전압 인가시 상온 25℃로부터 96℃까지 발열된 것을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 금(Au)으로 도금된 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 도 10에서 이용된 동일한 물리적 특성을 가진 철 마이크로와이어에 금으로 도금하여 제조한 면상발열체는 저항이 1~1.5Ω으로 5V의 전압 인가시 상온 25℃로부터 133℃까지 발열된 것을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 은(Ag)으로 도금된 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면이다.
도 10 및 도 12를 참조하면, 도 10에서 이용된 동일한 물리적 특성을 가진 철마이크로와이어에 은으로 도금하여 제조한 면상발열체는 저항이 0.8~1Ω으로 5V의 전압 인가시 상온 25℃로부터 110℃까지 발열된 것을 알 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 구리(Cu)로 도금된 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면이다.
도 10 및 도 13을 참조하면, 도 10에서 이용된 동일한 물리적 특성을 가진 철 마이크로와이어에 구리로 도금하여 제조한 면상발열체는 저항이 0.2~0.4Ω으로 5V의 전압 인가시 상온 25℃로부터 134℃까지 발열된 것을 알 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 마이크로와이어에 형성된 도금막에 따른 발열 효율을 도시한 도면이다.
도 10 내지 도 13을 함께 참조하면, 도 10의 도금 공정을 거치지 않은 순수 철 마이크로와이어를 대조군으로, 도 11 내지 도 13의 도금 공정을 거친 철 마이크로와이어를 실험군으로 비교할 수 있다.
각각의 면상발열체에 동일하게 5V 전압을 인가한 경우, 금(Au)으로 도금된 면상발열체의 발열온도는 37℃, 은(Ag)으로 도금된 면상발열체의 발열온도는 14℃, 구리(Cu)로 도금된 면상발열체의 발열온도는 34℃가 증가한 것을 알 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 플라즈마 에칭 공정으로 요철부가 형성된 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면이다.
도 15를 참조하면, 철 마이크로와이어에 플라즈마 에칭을 수행함으로써 표면에 요철부가 형성된 철마이크로와이어를 이용하여 제조한 면상발열체는 5V의 전압 인가시 상온 25℃로부터 120℃까지 발열된 것을 알 수 있다.
예를 들어, 금속 마이크로와이어가 도포된 기판에 플라즈마 에칭하여 요철부를 형성함으로써 접촉면적을 증가시킬 수 있다. 이 경우, 플라즈마 에칭은 대기조건 및 CF4, O2, H2, NF3, SF6, Cl2, BCl3 또는 Ar 중 하나 이상을 포함하는 분위기에서 진행될 수 있다. 또한, 진공도는 0.1~100mTorr, 시간은 1~180분의 조건으로 행해질 수 있다. 진공도가 0.1mTorr 미만이면 고진공이기 때문에 고가의 장비가 필요하고, 100mTorr를 초과하면 저진공이므로 불순물 유입 및 에칭처리가 안될 수 있다. 아울러, 처리시간이 1분 미만이면 에칭이 안될 수가 있고, 180분 이상은 과도한 에칭과 손상이 가해질 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 플라즈마 에칭 처리 후 나노 물질 중 하나인 산화그래핀이 코팅된 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면이다.
도 16을 참조하면, 철 마이크로와이어에 산화그래핀을 코팅하여 제조한 면상발열체는 5V의 전압 인가시 상온 25℃로부터 124℃까지 발열된 것을 알 수 있다. 이러한 면상발열체는 다음과 같이 제조될 수 있다.
예를 들어, 기판에 금속 마이크로와이어를 도포하고 그래핀을 도포하거나, 금속 마이크로와이어를 도포하고, 그래핀을 도포한 후 나노 물질을 도포할 수 있다. 또는, 금속 마이크로와이어를 도포하고, 나노물질을 도포한 후 그래핀을 도포하거나, 기판에 금속 마이크로와이어를 분산한 후 나노 물질, 그래핀, 또는 이들의 혼합액을 분산시킬 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따라 플라즈마 에칭 처리 후 나노 물질 중 하나인 환원된 산화그래핀이 코팅된 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면이다.
도 17을 참조하면, 철 마이크로와이어에 산화그래핀을 코팅하여 제조한 면상발열체는 5V의 전압 인가 시 상온 25℃로부터 132℃까지 발열된 것을 알 수 있다.
예를 들어, 산화그래핀은 진공, Ar, H2, N2 또는 이들의 혼합 분위기에서 100~1000℃로 30~120분 동안 열처리하여 환원시킬 수 있다. 도포 방식은 기판에 금속 마이크로와이어를 도포하고 그래핀을 도포하거나, 금속 마이크로와이어를 도포하고, 그래핀을 도포한 후 나노 물질을 도포할 수 있다. 또는, 금속 마이크로와이어를 도포하고, 나노물질을 도포한 후 그래핀을 도포하거나, 기판에 금속 마이크로와이어를 분산한 후 나노 물질, 그래핀, 또는 이들의 혼합액을 분산시킬 수 있다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따라 플라즈마 에칭 처리 후 금속 마이크로와이어에 형성된 나노 물질 코팅에 따른 발열 효율을 도시한 도면이다.
도 15 내지 도 17을 함께 참조하면, 도 15의 플라즈마 에칭 처리한 도금 공정을 거치지 않은 순수 철 마이크로와이어를 대조군으로, 도 16 및 도 17의 플라즈마 에칭 처리 후 나노 물질 코팅을 거친 철 마이크로와이어를 실험군으로 비교할 수 있다.
각각의 면상발열체에 동일하게 5V 전압을 인가한 경우, 플라즈마 에칭 처리한 면상발열체의 발열온도 대비 산화그래핀으로 코팅된 면상발열체의 발열온도는 4℃, 플라즈마 에칭 처리 후 환원된 산화그래핀으로 코팅된 면상발열체의 발열온도는 12℃가 증가한 것을 알 수 있다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따라 에칭 공정으로 요철부가 형성된 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면이다.
도 10 및 도 19를 참조하면, 도 10에서 이용된 동일한 물리적 특성을 가진 철 마이크로와이어에 에칭 공정을 수행함으로써 표면에 요철부가 형성된 철마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체는 저항이 0.8~0.9Ω으로 5V의 전압 인가시 상온 25℃로부터 111℃까지 발열된 것을 알 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따라 전해도금 공정으로 요철부가 형성된 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면이다.
도 10 및 도 20을 참조하면, 철 마이크로와이어의 표면을 주석(Sn)으로 전해 도금함으로써 표면에 요철부가 형성된 철 마이크로와이어를 이용하여 제조한 면상발열체는 저항이 1.2~1.5Ω으로 5V의 전압 인가 시 상온 25℃로부터 146℃까지 발열된 것을 알 수 있다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따라 나노 물질이 코팅된 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면이다.
도 10 및 도 21을 참조하면, 도 10에서 이용된 동일한 물리적 특성을 가진 철 마이크로와이어를 은 나노와이어(AgNW)로 코팅하여 제조된 면상발열체는 저항이 3~3.3Ω으로 5V의 전압 인가 시 상온 25℃로부터 144℃까지 발열된 것을 알 수 있다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따라 금속 마이크로와이어에 형성된 요철부 및 코팅에 따른 발열 효율을 도시한 도면이다.
도 10, 도 19 내지 도 21을 함께 참조하면, 도 10의 도금 공정을 거치지 않은 순수 철 마이크로와이어를 대조군으로, 도 19 내지 도 21의 에칭 공정, 전해도금 공정, 코팅 공정을 거친 철 마이크로와이어를 실험군으로 비교할 수 있다.
각각의 면상발열체에 동일하게 5V 전압을 인가한 경우, 에칭 공정을 통해 요철부가 형성된 면상발열체의 발열온도는 15℃, 전해도금 공정을 통해 요철부가 형성된 면상발열체의 발열온도는 50℃, 코팅 공정을 통해 요철부가 형성된 면상발열 체의 발열온도는 48℃가 증가한 것을 알 수 있다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 공정 중 하나인 스퍼터링(sputtering) 처리로 요철부가 형성된 금속 마이크로와이어를 이용하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면이다.
도 10 및 도 23을 참조하면, 도 10에서 이용된 동일한 물리적 특성을 가진 철 마이크로와이어에 스퍼터링(sputtering)을 수행함으로써 표면에 요철이 형성된 철마이크로와이어를 이용하여 제조한 면상발열체는 5V의 전압 인가시 상온 25℃로부터 137℃까지 발열된 것을 알 수 있다.
예를 들어, 금속 마이크로와이어가 도포된 기판에 스퍼터링 처리하여 요철부를 형성함으로써 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 이 경우, 스퍼터링은 대기조건 및 불활성 가스 조건에서 진행될 수 있다. 또한, DC 파워는 0.1~5kV, 시간은 1~1800s이 될 수 있다. 0.1kV 미만의 전압은 증착에 필요한 에너지가 낮으므로 증착이 안될 수 있고, 5kV를 초과하는 전압은 과도한 세기로 장비 및 시편에 손상이 가해질 수 있다. 또한, 처리시간이 1초 미만이면 증착이 안될 수가 있고, 1800초 이상은 과도한 증착과 손상이 가해질 수 있다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따라 전자빔(E-beam)을 이용하여 금속 마이크로와이어 간 접촉점을 접합하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면이다.
도 10 및 도 24를 참조하면, 도 10에서 이용된 동일한 물리적 특성을 가진 철 마이크로와이어에 전자빔(E-beam)을 조사함으로써 와이어 간 접촉점이 접합된 철마이크로와이어를 이용하여 제조한 면상발열체는 5V의 전압 인가시 상온 25℃로부터 112℃까지 발열된 것을 알 수 있다.
예를 들어, 금속 마이크로와이어 또는 금속 마이크로와이어와 나노 물질이 도포된 기판에 전자빔(E-beam)을 조사하여 금속 마이크로와이어 간 접촉점을 접합함으로써 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 전자빔의 조사는 진공 분위기에서 RF 파워는 10~300W, DC 파워는 0.1~3kV로 1~60분 동안 조사함으로써 행해질 수 있다. RF 파워와 DC 파워가 각각 10W, 0.1kV 미만이면 접합에 필요한 에너지가 낮아 접합이 안될 수 있고, RF 파워와 DC 파워가 각각 300W, 3kV 초과이면 과도한 세기로 장비 및 시편에 손상이 가해질 수 있다. 또한, 처리시간이 1분 미만이면 접합이 안될 수 있고, 60분을 초과하면 시편에 손상이 가해질 수 있다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따라 광소결을 이용하여 금속 마이크로와이어 간 접촉점을 접합하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면이다.
도 10 및 도 25를 참조하면, 도 10에서 이용된 동일한 물리적 특성을 가진 철 마이크로와이어에 광소결을 수행함으로써 와이어 간 접촉점이 접합된 철마이크로와이어를 이용하여 제조한 면상발열체는 5V의 전압 인가시 상온 25℃로부터 104℃까지 발열된 것을 알 수 있다
예를 들어, 금속 마이크로와이어 또는 금속 마이크로와이어와 전도성 나노 물질이 도포된 기판에 광소결하여 와이어 간 접촉점을 접합함으로써 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 이 경우, 광원은 백색광, 자외선, 적외선, 또는 이들의 복합광원을 사용할 수 있다. 백색광의 경우 강도가 0.01~200J/cm2, 조사시간은 0.1~200ms이고, 자외선의 경우 강도가 1~200mW/cm2, 조사시간은 0.1~600s이며, 적외선의 경우에는 강도가 1~200mW/cm2, 조사시간은 0.1~600s일 수 있다.
백색광과, 자외선 및 적외선의 강도가 각각 0.01J/cm2, 1mW/cm2, 1mW/cm2 미만이면 에너지가 낮아 소결이 안될 수 있고, 백색광과, 자외선 및 적외선의 강도가 각각 200J/cm2, 200mW/cm2, 200mW/cm2를 초과하면 과도한 세기로 시편에 손상이 가해질 수 있다. 또한, 백색광과, 자외선 및 적외선의 조사시간이 각각 0.1ms, 0.1s, 0.1s 미만이면 소결이 안될 수 있고, 백색광과, 자외선 및 적외선의 조사시간이 각각 200ms, 600s, 600s를 초과하면 시편에 손상이 가해질 수 있다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따라 열소결을 이용하여 금속 마이크로와이어 간 접촉점을 접합하여 제조된 면상발열체를 도시한 도면이다.
도 10 및 도 26을 참조하면, 도 10에서 이용된 동일한 물리적 특성을 가진 철 마이크로와이어에 열소결을 수행함으로써 와이어 간 접촉점이 접합된 철마이크로와이어를 이용하여 제조한 면상발열체는 5V의 전압 인가시 상온 25℃로부터 102℃까지 발열된 것을 알 수 있다.
예를 들어, 금속 마이크로와이어 또는 금속 마이크로와이어와 전도성 나노 물질이 도포된 기판에 열소결하여 와이어 간 접촉점을 접합함으로써 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 열소결은 대기, 진공, Ar, N2, H2 또는 이들의 혼합 분위기에서 50~1000℃로 1~180분간 실시되고, 이와 같이 열처리하면 금속 마이크로와이어 간의 접착력이 증가되어 발열 효율을 향상시킬 수 있다. 다만, 열처리 온도가 50℃ 미만이면 접착력 향상에 영향이 없고, 1000℃ 초과이면 금속 마이크로와이어가 손상될 수 있으므로 열처리 온도는 50~1000℃인 것이 바람직하다. 또한, 고온에서는 단시간의 열처리가 필요한데 최소 1분 이상이 요구되고, 저온에서는 장시간의 열처리가 필요한데 최대 180분이 소요되므로 열처리 시간은 1~180분인 것이 바람직하다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 마이크로와이어에 형성된 요철부 및 접합에 따른 발열 효율을 도시한 도면이다.
도10, 도15, 도 23 내지 도 26을 함께 참조하면, 각각의 면상발열체에 동일하게 5V 전압을 인가한 경우, 플라즈마 에칭을 수행한 면상발열체의 발열온도는 24℃, 스퍼터링(sputtering) 처리한 면상발열체의 발열온도는 41℃, 전자빔(E-beam)을 조사한 면상발열체의 발열온도는 16℃, 광소결한 면상발열체의 발열온도는 8℃, 그리고 열소결한 면상발열체의 발열온도는 6℃가 증가한 것을 알 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110 : 금속 마이크로와이어 120 : 기판
130 : 전극 140 : 패키징 재료
300 : 금속 마이크로와이어 310 : 도금소재
320 : 스퍼터링법 321 : 타겟
322 : 금속 마이크로와이어의 일면 330 : 치환도금법
340 : 환원도금법 400 : 금속 마이크로와이어
410 : 에칭법 420 : 도금소재
430 : 전해도금법 510 : 철 마이크로와이어
520 : 금 도금 철 마이크로와이어 530 : 은 도금 철 마이크로와이어
540 : 구리 도금 철 마이크로와이어
610 : 에칭 공정 620 : 전해도금 공정

Claims (27)

  1. 불규칙한 망 구조로 이루어지는 금속 마이크로와이어를 포함하되, 상기 금속 마이크로와이어의 표면에 표면적을 증가시키기 위한 요철부가 형성되는 것을 특징으로 하는 면상발열체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 마이크로와이어는 Fe, Al, Ni, Cu, Ti, Sn, W, Zn, 또는 이들의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 면상발열체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 마이크로와이어의 종횡비는 150 이상 5000 이하인 것을 특징으로 하는 면상발열체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 마이크로와이어의 직경은 5~200㎛인 것을 특징으로 하는 면상발열체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 마이크로와이어의 표면에는 상기 금속 마이크로와이어보다 전기전도성이 높은 금속 도금막이 형성되는 것을 특징으로 하는 면상발열체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속 도금막은 Ag, Au, Al, W, Zn, Ni, Sn, Cu, Pt, Ti 및 Pb 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 면상발열체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 요철부는 상기 금속 마이크로와이어의 에칭, 도금, 나노 물질 코팅, 플라즈마 에칭, 전자빔 조사, 광소결 및 열소결 중에서 선택되는 어느 하나 이상에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 면상발열체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 요철부는 상기 금속 마이크로와이어의 도금으로 형성된 입자를 포함하되, 상기 입자는 10~30㎛의 입경을 가지는 것을 특징으로 하는 면상발열체.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 입자는 Ag, Au, Al, W, Zn, Ni, Sn, Cu, Pt, Ti 및 Pb 중에서 선택되는 어느 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 면상발열체.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 나노 물질은 5~200 nm의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 면상발열체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 나노 물질은 금속 나노 입자, 금속 나노와이어, 전도성 나노 입자 및 전도성 나노와이어 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 면상발열체.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 요철부는 전자빔 조사, 광소결 또는 열소결에 의해 서로 접합되는 상기 금속 마이크로와이어의 접촉 지점을 포함하는 것을 특징으로 하는 면상발열체.
  13. 면상발열체를 제조하는 방법에 있어서,
    금속 마이크로와이어의 표면에 표면적을 증가시키기 위한 요철부를 형성하는 단계; 및
    상기 요철부가 형성된 상기 금속 마이크로와이어를 기판에 분산시킴으로써 상기 금속 마이크로와이어의 불규칙한 망 구조를 형성하는 단계;
    를 포함하는 면상발열체의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 금속 마이크로와이어는 Fe, Al, Ni, Cu, Ti, Sn, W, Zn, 또는 이들의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 면상발열체의 제조방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 금속 마이크로와이어의 종횡비는 150 이상 5000 이하이고, 상기 금속 마이크로와이어의 직경은 5~200 ㎛인 것을 특징으로 하는 면상발열체의 제조방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 기판은 세라믹 또는 유리로 이루어지는 경성 기판이거나, 또는 고분자, 섬유 및 종이 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 플렉서블 기판인 것을 특징으로 하는 면상발열체의 제조방법.
  17. 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 요철부를 형성하는 단계는 상기 금속 마이크로와이어를 황산, 질산 및 염산 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 용액으로 에칭하는 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 면상발열체의 제조방법.
  18. 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 요철부를 형성하는 단계는 상기 금속 마이크로와이어의 표면을 상기 금속 마이크로와이어보다 전기전도성이 높은 금속으로 도금 처리하는 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 면상발열체의 제조방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 도금 처리하는 단계는 PVD, 치환도금, 환원도금 및 전해도금 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 방법으로 행해지는 것을 특징으로 하는 면상발열체의 제조방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 전해도금은 상기 금속 마이크로와이어의 일단에 전극을 연결한 후 도금 용액 내에 상기 금속 마이크로와이어를 침지시키는 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 면상발열체의 제조방법.
  21. 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 요철부를 형성하는 단계는 상기 금속 마이크로와이어의 표면에 나노 물질을 코팅하는 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 면상발열체의 제조방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 나노 물질은 금속 나노 입자, 금속 나노와이어, 전도성 나노 입자 및 전도성 나노와이어 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 면상발열체의 제조방법.
  23. 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 요철부를 형성하는 단계는 상기 금속 마이크로와이어를 CF4, O2, H2, NF3, SF6, Cl2, BCl3 및 Ar 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 분위기에서 플라즈마 에칭하는 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 면상발열체의 제조방법.
  24. 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 요철부를 형성하는 단계는 상기 금속 마이크로와이어에 전자빔 조사, 광소결 및 열소결 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 실시하여 상기 금속 마이크로와이어의 접촉 지점을 접합시키는 것을 특징으로 하는 면상발열체의 제조방법.
  25. 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 마이크로와이어의 불규칙한 망 구조를 형성하는 단계 이후 상기 망 구조의 양단에 전극을 형성하고, 상기 망 구조 및 상기 전극이 형성된 기판에 대해 열처리를 실시하여 패키징하는 단계를 더 포함하는 면상발열체의 제조방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 패키징은 열가소성 플라스틱과 열경화성 플라스틱 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 물질에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 면상발열체의 제조방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 열가소성 플라스틱은 PE, PP, PVC, PS, ABS수지, AS수지, PMMA, PVA 및 PVDC 중에서 선택되는 어느 하나 이상이고, 상기 열경화성 플라스틱은 PF, UF, 멜라민 수지, MF, 알키드 수지, UP, EP, PUR, 실리콘 수지 및 디알릴프탈레이트 수지 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 면상발열체의 제조방법.
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KR101874550B1 (ko) 2017-01-25 2018-07-04 서울시립대학교 산학협력단 면상발열체 및 면상발열체의 제조 방법
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